微納光機(jī)械系統(tǒng)的量子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、最近幾年，光學(xué)腔和機(jī)械系統(tǒng)的耦合引起了人們的廣泛關(guān)注，由一個(gè)光學(xué)諧振腔和一個(gè)機(jī)械振子構(gòu)成的腔光機(jī)械系統(tǒng)更是成為了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。最近，光機(jī)械系統(tǒng)中的強(qiáng)耦合效應(yīng)，光機(jī)械冷卻，以及系統(tǒng)中類似于電磁誘導(dǎo)透明的現(xiàn)象被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，為將來的量子通訊、信息傳輸?shù)葢?yīng)用開辟了道路。本文中所研究的光機(jī)械系統(tǒng)即是光學(xué)自由度和機(jī)械自由度相耦合的系統(tǒng)。本文中，通過求解海森堡運(yùn)動(dòng)方程，我們研究了三種典型光機(jī)械系統(tǒng)中的光機(jī)械動(dòng)力學(xué)行為，研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下：
　

2、?。?）研究由輻射壓力與驅(qū)動(dòng)Fabry-Perot光學(xué)腔相耦合而產(chǎn)生的腔光機(jī)械動(dòng)力學(xué)行為。發(fā)現(xiàn)隨著輸入激光功率的增加，振子的漲落光譜呈現(xiàn)簡(jiǎn)正模式分裂的現(xiàn)象。同時(shí)推導(dǎo)了有效機(jī)械阻尼和共振頻移。此外引入一種近似機(jī)制來研究振子的基態(tài)冷卻，并且考慮在解析邊帶機(jī)制下簡(jiǎn)正模式分裂對(duì)機(jī)械振子冷卻影響。最后數(shù)值討論初始浴溫度、輸入激光功率和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)這三個(gè)因素對(duì)機(jī)械振子冷卻的影響。結(jié)果表明在低初始溫度、高輸入激光功率和高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)條件下，光機(jī)械振子

3、可以被冷卻到基態(tài)。
　　（2）在Fabry-Perot光機(jī)械腔中,從光機(jī)械系統(tǒng)的哈密頓量出發(fā)，探討在失諧的條件下光機(jī)械腔中的量子現(xiàn)象。引入散射矩陣方案來論證光子和聲子以有效并且可逆的方式轉(zhuǎn)換。這對(duì)于光學(xué)光子和微機(jī)械陣子之間的量子態(tài)的轉(zhuǎn)變提供了一個(gè)可行的方案。光聲轉(zhuǎn)變預(yù)示著一種可行的量子光學(xué)器件。同時(shí)用量子郞之萬方法和主方程途徑這兩種方法推導(dǎo)最終聲子占有數(shù)來研究基態(tài)冷卻，并且對(duì)這兩種方法進(jìn)行了參數(shù)比較。得出當(dāng)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)不是很大、初

4、始浴溫度較高和輸入激光功率較大時(shí)，用量子郞之萬方法得到的機(jī)械振子的冷卻要比用主方程途徑得到的結(jié)果要好。
　　（3）我們通過線性化量子郎之萬方程研究了一維傳輸線共振器和Fabry-Perot光機(jī)械腔中的簡(jiǎn)正模式分裂和冷卻，并對(duì)這兩種光機(jī)械系統(tǒng)做了比較。在低初始溫度和高品質(zhì)因數(shù)下振子可以被冷卻?？紤]到機(jī)械振子的尺寸和與預(yù)冷卻技術(shù)，傳輸線共振器比光學(xué)腔較容易實(shí)現(xiàn)基態(tài)冷卻。
　　（4）設(shè)計(jì)了一種回音壁腔光機(jī)械系統(tǒng)，研究了失諧回音壁腔

5、中的光機(jī)械動(dòng)力學(xué)行為。在單模腔光機(jī)械系統(tǒng)中，腔透射和反射呈現(xiàn)“M”和“W”形狀模式分裂。當(dāng)同時(shí)存在探測(cè)光和控制光的時(shí)，探測(cè)場(chǎng)呈現(xiàn)類似于電磁誘導(dǎo)透明的現(xiàn)象。我們的結(jié)果證明可以通過光機(jī)械系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)相干操縱光而不需要原子共振來實(shí)現(xiàn)共振干涉。然而由于光的剩余散射導(dǎo)致腔中出現(xiàn)一對(duì)駐波模，此時(shí)透射和反射呈現(xiàn)三模分裂。通過操縱回音壁光機(jī)械系統(tǒng)使光學(xué)處理成為可能，而延遲、減慢和存儲(chǔ)光脈沖可以通過光機(jī)械器件來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)拓寬了光機(jī)械系統(tǒng)在光學(xué)通訊和量子信息